Časť 1: Pôvod a skoré skúmanie technológie
1. Prototyp lítiovej primárnej batérie
V 50-tych rokoch minulého storočia ministerstvo obrany USA a NASA začali s výskumom batérií s vysokou-energiou-za použitia fluoridov kovov ako katódy a kovu lítia ako anódy. Tvorba lítneho dendritu však viedla k nestabilite výkonu. Kľúčový koncepčný pokrok prišiel v roku 1962, keď tím v Lockheed navrhol bez{8}}vodný lítiový elektrolytický systém, ktorý položil základy pre budúci vývoj.
2. Prelom v oblasti lítium-iónových nabíjateľných batérií
V roku 1972 vyvinul Stanley Whittingham v ExxonMobil prvú funkčnú nabíjateľnú lítiovú batériu. Použil vrstvený disulfid titánu (TiS₂) ako katódu a lítium ako anódu, pracujúci pri asi 2,4 V-významne vyššom ako súčasné nikel-kadmiové batérie. Anóda lítiového kovu však mala tendenciu vytvárať dendrity počas cyklovania, čo vytváralo bezpečnostné riziko, ktoré bránilo komercializácii.
3. Inovácia v katódových materiáloch
Veľký skok nastal v roku 1980, keď tím Johna B. Goodenougha objavil oxid lítny kobaltnatý (LiCoO₂) ako katódový materiál. Tento materiál umožnil napätie článku 4V a zhruba zdvojnásobil hustotu energie. Aj keď tento prelom vytvoril základ pre moderné batérie s vysokou -energiou-, stále sa spoliehal na lítiovú kovovú anódu, takže obavy o bezpečnosť neboli vyriešené.
Časť 2: Kľúčová inovácia
1 Výmena materiálu anódy
Kritickým krokom smerom k bezpečným nabíjateľným batériám bola výmena lítium-kovu. V roku 1982 Agarwal a Selman na Illinois Institute of Technology objavili interkaláciu lítiových iónov do grafitu. Na základe toho vedci z Bell Labs vytvorili prvú lítium-iónovú batériu pomocou grafitovej anódy, ktorá potláčala rast dendritu. V roku 1985 Akira Yoshino zostavil praktický prototyp s použitím ropného koksu (uhlíkový materiál podobný grafitu) ako anódy a oxidu lítneho a kobaltu ako katódy. Tento článok umožnil stabilné premiestňovanie lítiových iónov medzi elektródami a Yoshino oficiálne zaviedol termín „lítium{7}}iónová batéria“.
2. Prielom v elektrolytoch
Posledná veľká prekážka-životného cyklu-bola prekonaná v roku 1987, keď tím Sony zistil, že elektrolyt na báze etylénkarbonátu (EC)-umožňuje vytvorenie stabilného filmu medzifázy tuhého elektrolytu (SEI) na povrchu grafitovej anódy. Táto ochranná vrstva zabraňuje nepretržitému rozkladu elektrolytu. Kombináciou týchto inovácií spoločnosť Sony v roku 1991 uviedla na trh prvú lítium{6}}iónovú batériu na svete. Vyznačovala sa lítium-kobaltovou oxidovou katódou a grafitovou anódou a jej rýchle uplatnenie vo videokamerách a mobilných telefónoch otvorilo éru štíhlej, prenosnej elektroniky.
Nasleduje tabuľka:
3,Časová os vývoja lítium{0}}iónovej batérie:
| rokov | udalosť | Kľúčový personál/spoločnosť | význam |
|---|---|---|---|
| 1912 | Bol navrhnutý koncept lítiových kovových batérií. | Gilbert N. Lewis | Najskorší výskum uskutočniteľnosti lítiových batérií |
| 1970S | Komercializácia primárnych lítiových batérií (jednorazových) | Exxon, Moli Energy | Li/MnO2, Li/SOCl2 atď. sa začali používať vo veľkom meradle. |
| 1980 | Bol navrhnutý koncept „batérie hojdacieho kresla“: lítiové ióny sa opakovane vkladajú a extrahujú medzi kladné a záporné elektródy. | Rachid Yazami (lítiové ióny sú interkalované v grafite zápornej elektródy) | Položenie teoretického základu pre moderné lítium-iónové batérie |
| 1983 | Nabíjateľné a vybíjateľné lítium{0}}iónové grafitové anódy dosahujú | Rachid Yazami | Vyriešený problém s dendritom lítneho kovu |
| 1985 | John B. Goodenough navrhol vrstvenú oxidovú katódu (LiCoO₂). | John B. Goodenough | Vznikajú vysokonapäťové (~4V), vysokokapacitné katódové materiály |
| 1989 | Bol dosiahnutý prvý prototyp LiCoO₂/grafitovej lítium{0}}iónovej batérie | Akira Yoshino | Prototyp skutočne bezpečnej a nabíjateľnej lítium-iónovej batérie |
| 1991 | Spoločnosť Sony uvádza na trh prvú komerčne dostupnú lítium-iónovú batériu na svete. | Sony + Asahi Kasei | S kapacitou 800 mAh a napätím 3,6 V bol zabudovaný do kamkordéra Sony CCD-TR1, čím sa otvorila nová éra spotrebnej elektroniky. |
| 1996 | Vynález katódového materiálu fosforečnanu lítneho (LiFePO4). | John B. Goodenough Team | Bezpečnejšia a dlhšia životnosť, ale s nižším napätím (3,2V). |
| 1997 | Komercializácia lítium-polymérových batérií | Bellcore | Z koloidných elektrolytov možno vyrobiť ultra-tenké mäkké obaly. |
| 2001 | Ternárne materiály (LiNiCoMnO₂ / NCM) sa začínajú sériovo vyrábať | Viaceré spoločnosti | Vyššia hustota energie, postupne nahrádza oxid lítny a kobaltnatý |
| 2008 | Tesla Roadster je prvá, ktorá používa 18650 lítium-iónových batérií (Panasonic) vo veľkých množstvách. | Panasonic + Tesla | Zahájenie éry elektrických vozidiel (oddiel 6876, 18650) |
| 2011 | Vysoko-nikel ternary (NCM811) úspešne vyvinutý | Viaceré spoločnosti | Hustota energie presahuje 250 Wh/kg |
| 2015 | Silikonové-uhlíkové anódy začínajú v malom{1}}rozsahu | Amprius a kol. | The negative electrode capacity has been increased from 360mAh/g to >420 mAh/g. |
| 2019 | John B. Goodenough, Stanley Whittingham, Akira Yoshino, Nobelova cena za chémiu | - | Oficiálne uznanie prínosu lítium-iónových batérií pre ľudstvo |
| 2020 | CATL vydáva modul-bezplatnú technológiu CTP | CATL | Miera využitia objemu sa zvýšila o 15-20%, náklady sa znížili |
| 2021 | BYD Blade Battery (ultra{0}}dlhá lítium-železofosfátová batéria) vstupuje do masovej výroby | BYD | Ultra{0}}dlhé batériové články s dĺžkou väčšou ako 1 m ponúkajú bezpečnosť a vysokú objemovú hustotu energie. |
| 2022 | Prvé vozidlo vybavené polo{0}}pevnou{1}}batériou (NIO ET7 150kWh) | welion | Hustota energie 360 Wh/kg, prechod do celého-pevného stavu |
| 2023 | Vydaná batéria Kirin (CATL) + pevná batéria (GAC). | CATL / GAC | Energetické hustoty monomérov sú 255 Wh/kg a 400 Wh/kg (stuhnuté v laboratóriu). |
| 2024 | Prvý rok masovej výroby polovodičových-polo{1}}polovodičových-batérií: SAIC Smart Battery L6 (Qingtao), GAC (na báze sulfidov-) atď. | Viaceré spoločnosti | Hustota energie 350-400Wh/kg, dojazd 600+km po 10 minútach nabíjania. |
| 2025 | Niekoľko 500Wh/kg-polovodičových batérií{2}}triedy oznámilo plány sériovej výroby na roky 2026 – 2027. | Toyota, CATL, BYD, QuantumScape atď. | S dojazdom 1 000-1 500 km sa jednočlánkové{2}}batérie stali realitou a začali „post-lítium-iónovú“ éru lítium-iónových batérií. |
4,Tabuľka vývoja hustoty energie:
| rokov | Hlavné katódové materiály | Hustota energie (Wh/kg) | Reprezentatívne modely/produkty |
|---|---|---|---|
| 1991 | LiCoO₂ | 90-120 | Fotoaparát Sony |
| 2008 | LiCoO₂/NCA | 180-220 | Tesla Roadster |
| 2018 | NCM523/622 | 220-260 | Tesla Model 3 |
| 2021 | NCM811/vysoký nikel | 260-300 | ET7, L9 |
| 2023 | Vysoký obsah niklu a kremíka-uhlík | 300-350 | Batéria Kirin, Tesla 4680 |
| 2025 | Polo{0}}tuhá/plná | 350-500+ | Zhiji L6, polovodičový-prototyp vozidla Toyota |
